并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

沈 剛，安昭輝，李 翔，侯冬冬，張丁龍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 222116）

并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

沈 剛，安昭輝，李 翔，侯冬冬，張丁龍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 222116）

在控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)及單片機(jī)等課程教學(xué)中，充分利用六自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可解決機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)難的問(wèn)題。結(jié)合控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)及單片機(jī)等課程的具體教學(xué)實(shí)例，對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索與實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法提高了學(xué)生對(duì)控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)及單片機(jī)等課程的理解，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，為控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)以及單片機(jī)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的方法。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；六自由度并聯(lián)機(jī)器人；控制工程基礎(chǔ)；機(jī)器人技術(shù)；單片機(jī)

高校機(jī)械工程自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)以及單片機(jī)等課程作為工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課程，主要講授自動(dòng)化基本原理及應(yīng)用［1－2］。這些課程實(shí)踐性很強(qiáng)，理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)非常重要，但目前國(guó)內(nèi)高校在機(jī)械工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要還沿襲傳統(tǒng)的教學(xué)方法，理論教學(xué)強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生難以充分應(yīng)用所學(xué)的課程解決實(shí)際工程問(wèn)題［3－4］。

六自由度并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、精度高、沒(méi)有誤差累積和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防和民用先進(jìn)制造領(lǐng)域［5－6］，如美國(guó)研制基于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的“大狗”平臺(tái)［7－8］和基于Delta并聯(lián)機(jī)器人的3D打印技術(shù)［9－10］，而先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)和3D打印技術(shù)在2013年麥肯錫全球研究所列出的改變世界經(jīng)濟(jì)的12項(xiàng)顛覆性技術(shù)中分別排名第5和第9。為提高高校機(jī)械工程課程的教學(xué)質(zhì)量，鍛煉學(xué)生對(duì)控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)以及單片機(jī)等課程學(xué)習(xí)中的實(shí)踐應(yīng)用能力，加深對(duì)這些基礎(chǔ)課程概念和設(shè)計(jì)的理解，開(kāi)發(fā)基于先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常必要。

1 六自由度并聯(lián)機(jī)器人工作原理及組成

六自由度并聯(lián)機(jī)器人由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械部分由動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)、執(zhí)行器及連接部分等構(gòu)成；控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)定有六維坐標(biāo)參考信號(hào)，控制器經(jīng)過(guò)反解矩陣運(yùn)算得出6個(gè)執(zhí)行器應(yīng)給定的長(zhǎng)度，然后通過(guò)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)程序控制6個(gè)執(zhí)行器的位移，從而使六維坐標(biāo)在動(dòng)平臺(tái)上得到了復(fù)現(xiàn)。圖1為六自由度并聯(lián)機(jī)器人基本原理。

圖1 六自由度并聯(lián)機(jī)器人基本原理

2 六自由度并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)制作

為了提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，六自由度并聯(lián)機(jī)器人采用模塊化的機(jī)構(gòu)組裝方式，控制系統(tǒng)采用基于STM32F407ZET6的嵌入式控制器，利用LabVIEW編寫(xiě)了上位機(jī)調(diào)試界面，并通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及命令發(fā)送，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)的控制。

搭建的六自由度并聯(lián)機(jī)器人所需設(shè)備及材料見(jiàn)表1，外購(gòu)實(shí)物平臺(tái)如圖2所示。

表1 設(shè)備及材料

圖2 六自由度并聯(lián)機(jī)器人實(shí)物圖

3 六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)

主控制芯片采用了基于Cortex M4內(nèi)核的STM32F407高性能微控制器，其主頻高達(dá)168MHz，且集成了單周期DSP指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元（floating point unit，F(xiàn)PU），能夠滿足六自由度并聯(lián)機(jī)器人反解矩陣的運(yùn)算，并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［11］。

3．1 六自由度并聯(lián)機(jī)器人反解算法

圖3為六自由度并聯(lián)機(jī)器人六維坐標(biāo)α、β、γ、X、Y、Z均為0時(shí)靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)各個(gè)鉸接點(diǎn)的初始坐標(biāo)。其中α、β、γ（歐拉角）分別為上平臺(tái)與x軸、y軸和z軸的夾角，X、Y、Z分別為沿上平臺(tái)中心點(diǎn)的x方向、y方向和z方向的平移長(zhǎng)度。給定一個(gè)六維參考坐標(biāo)后，代入公式（1），計(jì)算得出動(dòng)平臺(tái)（上平臺(tái)）各個(gè)鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)（Xai，Yai，Zai），再根據(jù)公式（2）求靜坐標(biāo)與動(dòng)坐標(biāo)的直接距離，繼而求得6個(gè)軸的長(zhǎng)度Li［12］。

其中姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣：

圖3 六自由度并聯(lián)機(jī)器人坐標(biāo)系定義

3．2 人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)程序

六自由度并聯(lián)機(jī)器人人機(jī)交互采用上位機(jī)加下位機(jī)的控制方式。上位機(jī)為普通計(jì)算機(jī)，開(kāi)發(fā)了六自由度并聯(lián)機(jī)器人的LabVIEW監(jiān)控程序系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)UDP模式發(fā)送過(guò)來(lái)的當(dāng)前設(shè)定位置、6個(gè)缸位移等數(shù)據(jù)，同時(shí)可以發(fā)送命令到下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［13］。下位機(jī)為STM32F407主控制器，軟件部分主循環(huán)進(jìn)行以太網(wǎng)的輪詢(xún)處理，而反解矩陣運(yùn)算、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、運(yùn)動(dòng)模式判定及執(zhí)行均通過(guò)中斷程序進(jìn)行處理。

程序的總流程圖如圖4所示。首先對(duì)各個(gè)IO端口、以太網(wǎng)、定時(shí)器等進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)的以太網(wǎng)輪詢(xún)處理程序，下位機(jī)和上位機(jī)開(kāi)始通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)模式命令時(shí)，1 ms中斷的定時(shí)器1自動(dòng)計(jì)算運(yùn)動(dòng)模式的六維坐標(biāo)并進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)1ms中斷的定時(shí)器2實(shí)時(shí)反解出6個(gè)缸的長(zhǎng)度，定時(shí)器3通過(guò)發(fā)送脈沖和方向信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的位置控制，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模式的復(fù)現(xiàn)。

圖4 六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)流程圖

3．3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器依靠一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)方向信號(hào)進(jìn)行控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)定時(shí)器中斷調(diào)用。當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)，將給定的位置與當(dāng)前位置進(jìn)行比較，通過(guò)偏差的正負(fù)確定電機(jī)的正反方向，同時(shí)每發(fā)出一個(gè)脈沖，當(dāng)前位置根據(jù)方向自加1或自減1。程序流程如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

4 六自由度搖擺臺(tái)運(yùn)行測(cè)試

圖6是六自由度并聯(lián)機(jī)器人在x－y平面繞原點(diǎn)作半徑為10mm的圓周運(yùn)動(dòng)和搖擺運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由下位機(jī)實(shí)時(shí)反饋到上位機(jī)LabVIEW界面的6個(gè)缸的長(zhǎng)度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和嵌入式控制器可以實(shí)現(xiàn)六自由度并聯(lián)機(jī)器人較高的跟蹤精度，驗(yàn)證了控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)及單片機(jī)等課程在實(shí)踐中的應(yīng)用。

圖6 六自由度并聯(lián)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所述基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和嵌入式控制器的微型六自由度并聯(lián)機(jī)器人的制作過(guò)程表明：該微型機(jī)器人費(fèi)用較低、技術(shù)較先進(jìn)，適合于本科學(xué)生自主制作。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和分析問(wèn)題的能力，同時(shí)將控制工程、機(jī)器人技術(shù)以及單片機(jī)等課程理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐緊密結(jié)合，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的教學(xué)方法。

（References）

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·寫(xiě)作小常識(shí)·

論文中的斜體

論文中，下列場(chǎng)合的字母用斜體；

1．除pH外的物理量的符號(hào)（不論在文字中、還是圖中、還是在表中或作為腳標(biāo)）；

2．腳標(biāo)字母表示變動(dòng)數(shù)時(shí)，或腳標(biāo)字母表示坐標(biāo)軸時(shí)；

3．表示變量的字母，如：x、y；

4．一般函數(shù)符號(hào)，如f（x）；

5．表示幾何中點(diǎn)、線、面、體、弧的字母；

6．表示坐標(biāo)的字母，如：球坐標(biāo)r、θ；

7．矢量、張量和矩陣的符號(hào)用黑斜體；

8．化學(xué)中表示旋光性、分子構(gòu)型、構(gòu)象、取代基位置等的符號(hào)。

《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》編輯部 編錄

Application of parallel robot in experimental teaching of mechanical engineering

Shen Gang，An Zhaohui，Li Xiang，Hou Dongdong，Zhang Dinglong
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，China University of Mining and Technology，Xuzhou 222116，China）

In the teaching process of Control Engineering，Robotics and SCM courses，the method of experimental teaching by making full use of six degrees of freedom parallel robot platform can solve the difficult problem effectively，which discusses the application of advanced robot technology in the experimental teaching of mechanical engineering．Based on the specific combination of teaching examples of Control Engineering，Robotics and SCM courses，some researches on the application of six degrees of freedom parallel robot in the foundation of the experimental teaching in Mechanical Engineering are made．Mass data coming out of the explorations and practices show that this method can remarkably improve the students’understanding of the basic theory of Control Engineering，Robotics and SCM courses，also training students ability to inspire a passion for learning basis theoretical effectively．A new approach has been found for the experimental teaching of Control Engineering，Robotics and SCM courses．

experimental teaching；six degrees of freedom parallel robot；control engineering foundation；robotics；SCM

TP242

A

1002－4956（2015）3－0179－04

2014－08－21 修改日期：2014－10－22

沈剛（1982—），男，安徽阜陽(yáng)，工學(xué)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)殡娨核欧刂葡到y(tǒng)、并聯(lián)機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人、協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)

安昭輝（1992—），男，河南周口，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧娇刂?、并?lián)機(jī)器人和電液伺服控制系統(tǒng)．

E－mail：zhaohui4849＠126．com